แรงสั่นสะเทือนเบื้องต้น: ความเร่ง ความเร็ว การกระจัดVibration basics: acceleration, velocity, displacement

ทำไมเรื่องนี้สำคัญWhy this matters

เสียงกับแรงสั่นสะเทือนเป็นเรื่องเดียวกันในหลายแง่ เสียงเกิดจากสิ่งที่สั่น แล้วส่งการสั่นผ่านอากาศมาถึงหู แต่บางครั้งการสั่นเดินทางผ่านพื้นดิน โครงสร้าง หรือตัวเครื่องจักรโดยตรง เราจะรู้สึกได้ทางเท้า ทางเก้าอี้ หรือเห็นแก้วน้ำบนโต๊ะสั่นSound and vibration are closely related. Sound comes from something that vibrates and passes that motion through the air to our ears. Sometimes, though, the motion travels directly through the ground, a structure or a machine body. We then feel it through our feet or a chair, or see a glass of water tremble on the table.

การวัดแรงสั่นสะเทือนจึงตอบคำถามที่ต่างกันได้หลายแบบ เช่น งานตอกเสาเข็มข้างบ้านจะทำให้ผนังร้าวไหม ผู้อยู่อาศัยในคอนโดใกล้รถไฟจะรู้สึกรำคาญหรือไม่ กล้องจุลทรรศน์ในห้องแล็บจะใช้งานได้หรือเปล่า และเครื่องจักรในโรงงานเริ่มสึกหรอแล้วหรือยัง แต่ละคำถามใช้ค่าที่วัดและเกณฑ์ต่างกันVibration measurements therefore answer very different questions: will pile driving next door crack the walls, will residents of a condominium near a railway be disturbed, can the microscope in a laboratory still work, and is a factory machine starting to wear? Each question uses different quantities and different criteria.

แนวคิดพื้นฐาน: สามวิธีบอกขนาดของการสั่นThe basic idea: three ways to describe the size of a vibration

ลองนึกถึงชิงช้าที่แกว่งไปมา เราบอกได้ว่ามันแกว่งกว้างแค่ไหน แกว่งเร็วแค่ไหนตอนผ่านจุดต่ำสุด และตอนกลับตัวที่ปลายทาง ความเร็วเปลี่ยนทิศทางกะทันหันแค่ไหน สามมุมมองนี้คือสามปริมาณหลักของการสั่นThink of a swing moving back and forth. We can say how wide it swings, how fast it moves as it passes the lowest point, and how abruptly its speed changes direction as it turns around at each end. These three views are the three main vibration quantities.

ทั้งสามค่าไม่ได้แยกจากกัน ความเร็วคืออัตราการเปลี่ยนของการกระจัด และความเร่งคืออัตราการเปลี่ยนของความเร็ว ตัวเชื่อมคือความถี่ (Frequency) ของการสั่น ถ้าความเร็วเท่ากัน การสั่นช้า ๆ ความถี่ต่ำจะมีการกระจัดมาก แต่ความเร่งน้อย ส่วนการสั่นเร็ว ๆ ความถี่สูงจะมีการกระจัดน้อยมาก แต่ความเร่งสูงThe three are not independent. Velocity is the rate of change of displacement, and acceleration is the rate of change of velocity. The link between them is the frequency of the vibration. At the same velocity, a slow, low-frequency vibration has a large displacement but little acceleration, while a fast, high-frequency vibration has a tiny displacement but high acceleration.

เพราะเหตุนี้ งานแต่ละแบบจึงเลือกปริมาณที่ “เห็นปัญหา” ได้ดีที่สุด การสั่นช้า ๆ ของโครงสร้างอาคารดูด้วยความเร็วหรือการกระจัด ส่วนการสั่นความถี่สูงของตลับลูกปืนเครื่องจักรจะเด่นชัดในค่าความเร่งThat is why each type of work chooses the quantity that “shows the problem” best. Slow motion of a building structure is viewed as velocity or displacement, while high-frequency vibration from a machine bearing stands out clearly in acceleration.

ค่ายอด ค่า RMS และเดซิเบลPeak, RMS and decibels

ปริมาณแต่ละตัวยังรายงานได้หลายแบบ ค่ายอด (Peak) คือค่าสูงสุดที่เกิดขึ้น ค่ายอดถึงยอด (Peak-to-peak) คือระยะจากยอดบวกถึงยอดลบ และ ค่า RMS คือค่าเฉลี่ยเชิงพลังงานที่สะท้อนความรุนแรงโดยรวมในช่วงเวลาหนึ่ง เหมือนที่เราใช้ Leq กับเสียง ค่ายอดเหมาะกับเหตุการณ์กระแทกสั้น ๆ ส่วน RMS เหมาะกับการสั่นต่อเนื่อง สำหรับคลื่นไซน์บริสุทธิ์ ค่ายอด = √2 × RMS (ประมาณ 1.41 เท่า) และค่ายอดถึงยอด = 2 × ค่ายอด แต่การสั่นจริงอัตราส่วนนี้ต่างออกไป จึงต้องระบุเสมอว่ารายงานเป็นค่าแบบใดEach quantity can also be reported in several ways. The peak is the highest value that occurs, peak-to-peak is the span from the positive to the negative extreme, and RMS is an energy-based average that reflects the overall severity over a period, much as Leq does for sound. Peak suits short impacts; RMS suits continuous vibration. For a pure sine, peak = √2 × RMS (about 1.41 times) and peak-to-peak = 2 × peak, but real vibration has other ratios, so always state which value is reported.

เครื่องอย่าง XL2 Vibration Meter แสดงผลได้ทั้งหน่วยเมตริก หน่วยอิมพีเรียล หรือเป็นเดซิเบลเทียบกับค่าอ้างอิงที่ผู้ใช้ตั้งได้ ถ้าจะเทียบผลเป็น dB ข้ามรายงาน ต้องดูให้แน่ใจว่าใช้ค่าอ้างอิงเดียวกันAn instrument such as the XL2 Vibration Meter can show results in metric or imperial units, or as decibels relative to a reference value the user can set. When comparing dB results between reports, make sure the same reference was used.

วัดอย่างไร: Accelerometer และการวิเคราะห์ความถี่How it is measured: accelerometers and frequency analysis

เซนเซอร์ที่ใช้มากที่สุดคือ Accelerometer ซึ่งให้สัญญาณไฟฟ้าตามความเร่งของพื้นผิวที่ติดอยู่ เครื่องวัดจะนำสัญญาณนี้ไปคำนวณต่อเป็นความเร็วและการกระจัด XL2 Vibration Meter ใช้ Accelerometer แบบ IEPE (ICP) เช่น A4580 ที่มาในชุด และแสดงความเร่ง ความเร็ว และการกระจัดพร้อมกัน ส่วนเครื่องเฝ้าระวังแบบติดตั้งถาวรอย่าง GSS 5GV ใช้เซนเซอร์แบบ MEMS วัดสามแกนในตัวเครื่องThe most widely used sensor is the accelerometer, which produces an electrical signal proportional to the acceleration of the surface it is attached to. The instrument then calculates velocity and displacement from that signal. The XL2 Vibration Meter uses IEPE (ICP) accelerometers, such as the A4580 included in the kit, and shows acceleration, velocity and displacement at the same time. A permanently installed monitor such as the GSS 5GV uses a built-in three-axis MEMS sensor.

• ติดเซนเซอร์ให้แน่นกับพื้นผิวที่ต้องการวัด เพราะถ้าเซนเซอร์โยกเองจะวัดการโยกของตัวมันแทนFix the sensor firmly to the surface being measured; a loose sensor measures its own rocking instead.
• ในงานโครงสร้าง ติดที่ฐานราก หรือชิ้นส่วนรับน้ำหนัก และบนเส้นทางที่การสั่นเดินทางผ่านFor structures, mount on foundations or load-bearing elements, and along the path the vibration travels.
• การสั่นเกิดได้ทั้งสามทิศ งานประเมินอาคารจึงมักวัดสามแกน (x, y, z)Vibration happens in all three directions, so building assessments usually measure three axes (x, y, z).

เหมือนกับเสียง การรู้แค่ตัวเลขรวมยังไม่พอ ต้องรู้ด้วยว่าการสั่นอยู่ที่ความถี่ไหน XL2 Vibration Meter วิเคราะห์ได้ทั้งแบบ FFT (ความละเอียดคงที่เป็น Hz เหมาะกับการหาความถี่เด่นของเครื่องจักร) และแบบ CPB (constant percentage bandwidth คือการแบ่งย่านแบบออกเตฟที่ย่านกว้างขึ้นตามความถี่) แบบ 1/3 ออกเตฟในช่วง 0.8 Hz ถึง 2.5 kHz (1/1 ออกเตฟ 1 Hz ถึง 2 kHz) ส่วนการวัดแบบ Flat มีแบนด์วิดท์ (−3 dB) เริ่มราว 0.7 Hz (ค่าทั่วไป) ซึ่งสำคัญ เพราะการสั่นของอาคารและพื้นดินมักอยู่ที่ความถี่ต่ำ แต่ย่านต่ำสุดที่ใช้ได้จริงขึ้นกับเซนเซอร์ด้วย เช่น A4580 ในชุด Kit เริ่มที่ 3 HzAs with sound, a single overall number is not enough; we also need to know at which frequencies the vibration occurs. The XL2 Vibration Meter offers both FFT analysis (constant resolution in Hz, good for finding a machine’s dominant frequencies) and CPB analysis (constant percentage bandwidth: octave-type bands that widen as frequency rises) in 1/3 octaves from 0.8 Hz to 2.5 kHz (1/1 octaves from 1 Hz to 2 kHz), and the flat (unfiltered) measurement has a −3 dB bandwidth starting at about 0.7 Hz (typical). That matters because building and ground vibration is usually at low frequencies, but the usable low end also depends on the sensor: the kit's A4580, for example, starts at 3 Hz.

ความถี่เด่น (Dominant frequency) คือความถี่ที่มีการสั่นแรงที่สุด ใช้ประกอบการประเมินอาคาร เพราะเกณฑ์ความเสียหายขึ้นกับความถี่ และถ้าความถี่เด่นของโครงสร้าง เช่น สะพาน เปลี่ยนไปตามเวลา อาจเป็นสัญญาณว่าความแข็งแรงของโครงสร้างเปลี่ยนThe dominant frequency is the frequency with the strongest vibration. It is used in building assessments because damage criteria depend on frequency, and if the dominant frequency of a structure such as a bridge shifts over time, it may signal a change in the structure’s stiffness.

รายละเอียดเชิงวิศวกรรม: จากความเร่งไปเป็นความเร็วและการกระจัดEngineering detail: from acceleration to velocity and displacement

เมื่อเซนเซอร์วัดความเร่ง เครื่องหาความเร็วด้วยการ อินทิเกรต (integrate) หนึ่งครั้ง และหาการกระจัดด้วยการอินทิเกรตสองครั้ง สำหรับแต่ละความถี่ การอินทิเกรตหนึ่งครั้งเท่ากับการหารด้วย 2πf ผลคือส่วนที่ความถี่ต่ำมากถูก ขยายขึ้น มาก ทั้งสัญญาณจริงและสัญญาณรบกวนของเซนเซอร์ รวมถึงการเลื่อนของค่าศูนย์ (drift) ถ้าไม่จำกัดย่านความถี่ต่ำด้วยตัวกรองผ่านสูง (high-pass filter) ค่าความเร็วหรือการกระจัดที่คำนวณได้จะ “ลอย” ขึ้นโดยไม่ได้มาจากการสั่นจริง การอินทิเกรตสองครั้งไปเป็นการกระจัดจึงไวต่อปัญหานี้ยิ่งกว่าWhen the sensor measures acceleration, the instrument obtains velocity by integrating once and displacement by integrating twice. At each frequency, one integration is the same as dividing by 2πf, so content at very low frequencies is strongly amplified: the real signal, but also sensor noise and zero drift. Unless the low-frequency end is limited with a high-pass filter, the calculated velocity or displacement “wanders” without any real vibration behind it. Integrating twice to displacement is even more sensitive to this.

ในทางปฏิบัติ ตัวกรองนี้ต้องเลือกให้ต่ำพอที่จะไม่ตัดความถี่ที่สำคัญของงาน เช่น การสั่นของอาคารที่ความถี่ไม่กี่เฮิรตซ์ แต่สูงพอที่จะตัดการลอยของสัญญาณ มาตรฐานการประเมินหลายฉบับกำหนดย่านความถี่ที่ใช้ไว้แล้ว ให้ตั้งตามนั้นและระบุไว้ในรายงาน ในงานเฝ้าระวังอาคาร บางระบบใช้ geophone ซึ่งเป็นเซนเซอร์ที่ให้สัญญาณตามความเร็วโดยตรงIn practice the filter must be low enough not to remove frequencies that matter, such as building vibration at a few hertz, yet high enough to remove the wander. Many assessment standards already define the frequency range to use; set it accordingly and state it in the report. For building monitoring, some systems use geophones, sensors whose output follows velocity directly.

เซนเซอร์ การติดตั้ง และแกนการวัดSensors, mounting and measurement axes

เซนเซอร์กับวิธียึดรวมกันเป็นระบบสปริงกับมวล ซึ่งมีความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง ยิ่งยึดแข็งและเบา ความถี่เรโซแนนซ์ยิ่งสูง ช่วงที่วัดได้ถูกต้องก็กว้างขึ้น การยึดด้วยแม่เหล็กหรือการจับด้วยมือสะดวกกว่าแต่ลดช่วงความถี่สูงลง สำหรับงานอาคารที่สนใจความถี่ต่ำ ความแข็งของการยึดมักสำคัญน้อยกว่าการที่เซนเซอร์ ไม่โยกหรือเลื่อน และติดอยู่บนชิ้นส่วนโครงสร้างจริง ไม่ใช่บนกระเบื้องหรือวัสดุตกแต่งที่หลวมSensor and mounting together form a spring-mass system with its own resonance frequency. The stiffer and lighter the mount, the higher that resonance and the wider the range that is measured correctly. A magnet or a hand-held probe is more convenient but reduces the high-frequency range. For building work, where low frequencies matter, stiffness is often less important than making sure the sensor does not rock or slide and sits on the real structure, not on loose tiles or finishes.

• มวลของเซนเซอร์ ควรน้อยเมื่อเทียบกับชิ้นส่วนที่วัด บนแผ่นโลหะบางหรือชิ้นส่วนเบา เซนเซอร์หนักจะเปลี่ยนการสั่นที่ต้องการวัดSensor mass should be small compared with the part being measured; on thin sheet metal or light parts, a heavy sensor changes the vibration you want to measure.
• ยึดสายสัญญาณ ให้แนบกับพื้นผิวใกล้เซนเซอร์ สายที่แกว่งสร้างสัญญาณปลอมได้Secure the cable to the surface near the sensor; a swinging cable can create false signals.
• แกนการวัดของอาคาร โดยทั่วไป z เป็นแนวดิ่ง x และ y เป็นแนวนอน มักจัดให้ขนานกับผนังหลักของอาคาร บันทึกทิศทางไว้ในรายงานBuilding axes: usually z vertical and x, y horizontal, often aligned with the main walls; record the orientation in the report.
• แกนของร่างกายคน ตาม ISO 2631 x คือหลังไปหน้าอก y คือขวาไปซ้าย z คือเท้าไปศีรษะ การประเมินความสบายวัดที่ตำแหน่งที่คนสัมผัสการสั่น เช่น พื้นใต้เท้าหรือที่นั่งHuman body axes in ISO 2631: x back-to-chest, y right-to-left, z foot-to-head. Comfort assessments measure where people receive the vibration, such as the floor under their feet or the seat.

อาคาร คน และอุปกรณ์ไวต่อการสั่น: ใช้ค่าต่างกันBuildings, people and sensitive equipment use different measures

ข้อนี้เป็นจุดที่มือใหม่สับสนบ่อยที่สุด การสั่นระดับเดียวกันอาจ “ไม่เป็นอันตรายต่ออาคาร” แต่ “ทำให้คนรำคาญมาก” ได้ เพราะร่างกายคนรับรู้การสั่นได้ไวกว่าที่โครงสร้างจะเสียหายมาก แต่ละเป้าหมายจึงมีค่าที่วัดและมาตรฐานของตัวเองThis is where beginners most often get confused. The same vibration can be “harmless to the building” yet “very annoying to people”, because the human body notices vibration at levels far below those that damage a structure. Each purpose therefore has its own quantities and standards.

สำหรับความเสียหายของอาคาร PPV (Peak particle velocity) คือความเร็วสูงสุดของแต่ละแกนในช่วงที่สังเกต PCPV คือค่า PPV ที่มากที่สุดในสามแกน และ PVS (Peak vector sum) คือขนาดรวมของความเร็วทั้งสามแกน NTi Audio สรุปว่าค่าแนะนำของ DIN 4150-3 (มาตรฐานเยอรมัน ค่าแนะนำสำหรับการสั่นระยะสั้นที่วัดที่ฐานราก) อยู่ราว 3 ถึง 50 mm/s ในช่วงความถี่ 1–100 Hz โดยค่าที่ใช้จริงขึ้นกับประเภทอาคารและความถี่ของการสั่น ค่าเหล่านี้ไม่ใช่เกณฑ์ทางกฎหมายของประเทศไทยFor building damage, PPV (peak particle velocity) is the highest velocity on each axis during the observation period, PCPV is the largest of the three PPV values, and PVS (peak vector sum) is the combined magnitude of the three axes. NTi Audio summarises the DIN 4150-3 guide values (a German standard; guide values for short-term vibration measured at the foundation) as roughly 3 to 50 mm/s over 1–100 Hz, with the value that applies depending on the building type and the vibration frequency. They are not Thai legal limits.

สำหรับความสบายของคน ค่าที่ใช้เป็นความเร่งที่ ถ่วงน้ำหนักตามความถี่ (Frequency-weighted) ให้ใกล้กับความไวของร่างกาย คล้ายกับที่ dBA ถ่วงน้ำหนักเสียงตามความไวของหู ค่า VDV (Vibration dose value) ตาม BS 6472 สะสมการสั่นตลอดช่วงเวลาที่ประเมิน จึงสะท้อนทั้งความแรงและระยะเวลาFor human comfort, the quantity is acceleration frequency-weighted to reflect the body’s sensitivity, much as A-weighting is loosely based on the ear’s sensitivity. The VDV (vibration dose value) of BS 6472 accumulates the vibration over the whole assessment period, so it reflects both strength and duration.

สำหรับห้องแล็บ โรงพยาบาล หรือโรงงานผลิตชิ้นส่วนละเอียด ใช้ เส้น VC (Vibration Criterion) ซึ่งกำหนดความเร็ว RMS สูงสุดในแต่ละย่าน 1/3 ออกเตฟ ตั้งแต่ VC-A ประมาณ 50 µm/s ไปจนถึง VC-E ประมาณ 3 µm/s ยิ่งอุปกรณ์ละเอียด เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ก็ยิ่งต้องใช้เส้นที่เข้มงวดขึ้นFor laboratories, hospitals and precision manufacturing, VC (Vibration Criterion) curves set the maximum RMS velocity in each 1/3 octave band, from VC-A at about 50 µm/s down to VC-E at about 3 µm/s. The more delicate the equipment, such as an electron microscope, the stricter the curve.

ตัวอย่างในชีวิตจริงEveryday example

1. บันทึกระดับการสั่นปกติก่อนเริ่มงานRecord the normal vibration level before work starts.
2. ติดเซนเซอร์ที่ฐานรากหรือชิ้นส่วนรับน้ำหนัก และบนเส้นทางการส่งผ่านMount sensors on foundations or load-bearing elements, and along the transmission path.
3. บันทึกต่อเนื่อง พร้อมตั้งระดับแจ้งเตือนLog continuously with alarm thresholds.
4. ทำรายงานเทียบกับเกณฑ์ และแบ่งปันผลกับผู้เกี่ยวข้องReport against the criteria and share the results with stakeholders.

คำถามที่พบบ่อยFrequently asked questions

คำศัพท์สำคัญKey terms

การกระจัด (Displacement)Displacement

ระยะที่วัตถุขยับออกจากตำแหน่งเดิมThe distance an object moves from its resting position.

ความเร็ว (Velocity)Velocity

อัตราการเปลี่ยนของการกระจัด หน่วย mm/sThe rate of change of displacement, in mm/s.

ความเร่ง (Acceleration)Acceleration

อัตราการเปลี่ยนของความเร็ว หน่วย m/s²The rate of change of velocity, in m/s².

Accelerometer

เซนเซอร์ที่ให้สัญญาณตามความเร่ง ใช้วัดการสั่นA sensor whose signal follows acceleration, used to measure vibration.

PPV / PCPV / PVS

ความเร็วสูงสุดต่อแกน / ค่าที่สูงสุดในสามแกน / ผลรวมเชิงเวกเตอร์ของสามแกนPeak velocity per axis / the largest of the three / the vector sum of the three axes.

VDV (Vibration dose value)VDV (vibration dose value)

ค่าสะสมของการสั่นที่ถ่วงน้ำหนักตามความไวของร่างกาย ใช้ประเมินความสบายตาม BS 6472A cumulative, body-weighted vibration value used for comfort assessment under BS 6472.

เส้น VC (Vibration Criterion)VC curves (Vibration Criterion)

ชุดเกณฑ์ความเร็ว RMS รายย่าน 1/3 ออกเตฟ สำหรับอุปกรณ์ที่ไวต่อการสั่นA family of RMS velocity limits per 1/3 octave band for vibration-sensitive equipment.

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยCommon misunderstandings

• “ความเร่งสูงแปลว่าอันตรายต่ออาคาร” ไม่เสมอไป ความเร่งสูงที่ความถี่สูงอาจมีการกระจัดเพียงเล็กน้อย งานอาคารจึงดูความเร็วร่วมกับความถี่“High acceleration means danger to the building.” Not always: high acceleration at high frequency may involve tiny displacement, so building work looks at velocity together with frequency.
• “ไม่ถึงเกณฑ์อาคาร แปลว่าไม่มีปัญหา” คนรู้สึกได้ที่ระดับต่ำกว่านั้นมาก ต้องประเมินความสบายแยกต่างหาก“Below the building limit means no problem.” People feel vibration at much lower levels; comfort must be assessed separately.
• “วัดแกนเดียวก็พอ” การสั่นเกิดได้ทุกทิศ งานประเมินอาคารและความสบายจึงมักวัดสามแกน“One axis is enough.” Vibration happens in every direction, so building and comfort assessments usually measure three axes.
• “ตัวเลขเดียวบอกทุกอย่าง” ต้องดูความถี่ด้วย เพราะเกณฑ์หลายแบบเปลี่ยนตามความถี่“One number tells the whole story.” Frequency matters too, because many criteria change with frequency.

นำไปใช้ที่ไหนWhere it is used

• เฝ้าระวังงานก่อสร้าง ตอกเสาเข็ม ระเบิดหิน และอุโมงค์ใกล้อาคารMonitoring construction, piling, blasting and tunnelling near buildings
• ติดตามสภาพสะพานและโครงสร้างผ่านความถี่เด่นTracking bridges and structures through their dominant frequency
• ประเมินความสบายของผู้อยู่อาศัยใกล้ทางรถไฟ ถนน หรือเครื่องจักรAssessing occupant comfort near railways, roads or machinery
• ป้องกันอุปกรณ์ที่ไวต่อการสั่นในห้องแล็บ โรงพยาบาล และโรงงานผลิตชิ้นส่วนละเอียดProtecting vibration-sensitive equipment in laboratories, hospitals and precision manufacturing
• ตรวจสภาพเครื่องจักรและควบคุมคุณภาพในสายการผลิตMachine condition checks and production-line quality control